DE2655901A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von fluessigkeiten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mischen von fluessigkeiten

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Description

Die Erfindung betrifft das Mischen zweier nichtmischbarer Flüssigkeiten und insbesondere das Einleiten von Wasser in Brennstoffe, insbesondere in hydrophobe Brennstoffe, mit dem Ziel, die Verbrennungseigenschaften der Brennstoff-Mischung zu verbessern.
In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch eine Steuerschaltung zur Verwendung in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Mischen bzw. einer Emulgiervorrichtung. Die Emulgiervorrichtung wurde im Hinblick auf die besonderen Probleme bei industriellen, ölbefeuerten Kesseln entwickelt, ist jedoch auch für die Brennstoffzufuhr bei Dieselmotoren oder Gasturbinen, für die Brennstoff-Einspritzung oder für Benzinmotoren mit Vergaser geeignet.
Es sind bereits Verfahren zur Einverleibung von Wasser in Brennstoffe gemacht worden, da durch die Wassereinverleibun,g der Stickoxydgehalt der Abgase herabgesetzt werden kann.
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Zu- diesen Verfahren gehört auch die Einverleibung chemischer Emulgatoren in Brennstoff-Wasser-Gemische. Diese stören jedoch den VerbrennungsVorgang.
Bisher vorgeschlagene mechanische Methoden haben zu keinen wesentlichen Verbesserungen geführt.
Entsprechend.liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und preiswerten Weg der mechanischen Emulgierung aufzuzeigen, mit welchem sich eine verbesserte Brennstoff-Nutzung erzielen läßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten vorgeschlagen, welche sich dadurch kennzeichnet, daß ein Gehäuse eine im wesentlichen ringförmige Mischkammer bildet, in welcher sich ein drehbar gelagerter und antreibbarer, vorzugsweise ringförmiger Rotor befindet, daß der Rotor eine oder mehrere Einlaßöffnungen an bzw. im Bereich seiner Drehachse aufweist, daß eine mit den Einlaßöffnungen in Verbindung stehende Einlaßkammer an der Rotordrehachse angeordnet ist, welche mit Einlassen für die zu mischenden Flüssigkeiten versehen ist, daß im Rotor nach außen sich erstreckende Kanäle angeordnet sind, welche von den Einlaßöffnungen zur Peripherie des Rotors führen und an dieser münden, daß die Mischkammer eine kreisförmige, vorzugsweise glatte und stetig kreisförmige, Außenwand aufweist, welche sich über den größeren Teil ihres Uirfangs mit einem kleinen Abstand bzw. Zwischenraum zwischen der Außenwand und der Rotorperipherie erstreckt, und daß sich die kreisförmige Außenwand mit spiralförmiger Gestalt nach außen erstreckt und so zwischen ihrem sich nach außen erstreckenden Wandabschnitt und der Rotorperipherie eine vorzugsweise ungefähr sichelförmige Auslaßzone bildet, welche mit einem Auslaßkanal in Verbindung steht, welcher vorzugsweise ungefähr tangential zur Mischkammer angeordnet ist.
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Die radialen Kanäle besitzen vorzugsweise mindestens eine Verengung zwischen ihren Enden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwischen vier und zwanzig radiale Kanäle vorgesehen. Jeder radiale Kanal hat vorzugsweise einen konvergenten Eingangsabschnitt, der zur Verengung führt und einen divergenten Auslaßabschnitt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erweitert sich jeder radiale Kanal von einem Einlaß zu einer Verengungszone, in welcher mehrere Verengungen angeordnet sind, die beispielsweise jeweils als divergierende Kanäle an einer ringförmigen Wand münden. Es können drei bis zehn solcher Kanäle vorhanden sein, von denen jeder zwei bis sieben Verengungen besitzt. Die ringförmige Wand befindet sich vorzugsweise bei 50%, z.B. 75-90% der Länge des radialen Kanales von seinem Einlaßende aus.
Bei einer wiederum anderen Ausführugnsform der Erfindung ist der Rotor mit mehreren, nach außen orientierten Labyrinth-Poren oder -Kanälen versehen, welche sich von einer ringförmigen Einlaßwand nach außen zu einer ringförmigen Auslaßwand erstrecken. Diese Poren oder Kanäle können durch Zonen porösen oder mikroporösen Materials gebildet sein, das sich durch den Rotor nach außen erstreckt. Alternativ kann der Rotor insgesamt aus solchem Material hergestellt sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung in dieser Hinsicht ist der Rotor in mehrere, beispielsweise in vier bis zwanzig keilförmige, nach außen divergierende Führungskanäle oder Kanäle aufgeteilt, in denen jeweils poröses oder mikroporöses Material, z.B. gesintertes metallisches Material, mindestens über einen Teil ihrer Breite und vorzugsweise den Führungskanal ganz ausfüllend angeordnet ist.
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Mit der Erfindung soll auch erreicht werden, daß das benötigte Mischungsverhältnis aufrechterhalten wird, wenn die Abgabeges chv/indigkeit der Mischung durch Veränderung der Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zu einer Emulgiervorrichtung gesteuert wird, daß also ein bestimmtes Brennstoff-Wasser-Verhältnis eingehalten wird, selbst wenn die Belastung des von der Emulgiervorrichtung gespeisten Gerätes schwankt.
Dementsprechend umfaßt gemäß einer wichtigen Weiterbildung der Erfindung eine Steuerschaltung für ein Gerät zur Mischung zweier Flüssigkeiten eine erste und eine zweite, jeweils an das Mischgerät bzw. die Mischvorrichtung anschließbare Flüssigkeitszuleitung, ein erstes Steuerglied zur Voreinstellung des zweiten Flüssigkeitsstromes derart, daß er eine gewünschte Funktion des ersten Flüssigkeitsstromes ist, und ein zweites Steuerglied,das auf Druck- oder Stromschwankungen in der ersten Flüssigkeitszuleitung anspricht und den Strom durch die zweite Leitung so einstellt, daß er sich automatisch bei einer Änderung in der ersten Leitung im Sinne einer Rückführung auf die gleiche, voreingestellte Funktion des Stromes in der ersten Flüssigkeitszuleitung ändert.
Vorzugsweise ist ein drittes Glied vorgesehen, welches eventuelle Druck- oder Stromschwankungen in der ersten Flüssigkeitszuleitung erfaßt und ein Steuersignal an das zweite Steuerglied liefert.
Vorzugsweise sind die zweiten und dritten Glieder logische Fluidik- bzw. strömungsgesteuerte Geräte, wobei vorzugsweise dafür gesorgt ist, daß der Strom durch das dritte Glied nicht größer als ein kleiner Bruchteil des Stromes durch das zweite Glied, z.B. 1/10 bis 1/500, z.B. 1/100 oder 1/50 bis 1/150 desselben ist.
Das zweite Glied ist vorzugsweise eine Wirbeldiode, während
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das erste Glied vorzugsweise ein Differential-Strahlablenkungsverstärker ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Zuleitung an eine Steueröffnung des Strahlablenkungsverstärkers und an die Mischvorrichtung angeschlossen. Die zweite Zuleitung ist über eine Drossel an die andere Steueröffnung und unmittelbar an den Eingang des Verstärkers angeschlossen. Die Ausgangsöffnung des Verstärkers ist an die Steueröffnung der Wirbeldiode angeschlossen. Die zweite Zuleitung ist über eine Drossel an die Eingangsöffnung der Wirbeldiode angeschlossen. Die Ausgangsöffnung der Wirbeldiode ist an die Mischvorrichtung angeschlossen. Der Ausgangsstrom des Verstärkers ist so gewählt, daß er als Steuersignal für die Wirbeldiode geeignet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt also die Flüssigkeitsmischvorrichtung ein angepaßtes oder auf einander abgestimmtes Paar variabler Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Geräte, bei denen die primäre Einlaßöffnung des ersten Gerätes an eine Wasserzuleitung und die sekundäre Einlaßöffnung an eine Brennstoffzuleitung angeschlossen ist, und zwar an einer Stelle zwischen einem Brennstoffzufuhrventil und einer Emulgiervorrichtung, und bei denen die primäre Einlaßöffnung des zweiten variablen Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Gerätes an die Wasserzuleitung und seine sekundäre. Einlaßöffnung an die Auslaßöffnung des ersten variablen Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Gerätes angeschlossen ist, wobei seine Auslaßöffnung an die Emulgiervorrichtung zur Lieferung von Wasser an dieselbe angeschlossen ist.
Vorzugsweise ist eine variable Drossel, z.B. eine Stellschraube in den Verbindungen zur Wasserzufuhr zu einem oder beiden der primären öffnungen der variablen Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Geräte vorgesehen. Vorzugsweise sind Rückschlag-Prüfventile
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In der Verbindung zur Brennstoffzufuhr zur sekundären öffnung des ersten und in der Verbindung zur Wasserzur fuhr zur Emulgiervorrichtung von der Auslaßöffnung_des zweiten variablen Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Gerätes vorgesehen. Ein Schließventil, z.B. ein Magnetventil kann in der Verbindung zur Wasserzufuhr zur Emulgiervorrichtung vorgesehen sein. Dieses kann in Verbindung mit einem Schließventil in der Verbindung zur Brennstoffzufuhr zu der Flüssigkeitssteuerschaltung benutzt werden, um die Wasserzufuhr von der Emulgiervorrichtung zu trennen, die dann in der Lage ist, Brennstoff, dem Wasser beigemischt ist, einem angeschlossenen Verbraucher, nämlich einem Dieselmotor, einer Gasturbine, einer Kesselheizung oder einem Benzinmotor zuzuführen.
Die Einstellung der Drossel ermöglicht die Anpassung der Schaltung an eine Emulgiervorrichtung und die Überlagerung der Kennlinien der variablen Flüssigkeitsstrom-Impedanz-Geräte, bei denen der Ausgang des ersten Gerätes so ausgelegt sein kann, daß er mit zunehmendem Brennstoffzufuhrdruck abnimmt, während der Ausgang des zweiten, welcher so ausgelegt sein kann, daß er mit abnehmendem Druck an seinem sekun dären Einlaß zunimmt, mit zunehmendem Brennstoffzufuhrdruck zunimmt. Gleichermassen kann auch die umgekehrte Anordnung vorgesehen sein.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 - einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Emulgiervorrichtung nach der Erfindung,
Figur" 2 - einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Figur 1, wel cher die Mischkammer und vereinfacht den Umriß des Rotors zeigt,
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Figur 3 - einen Schnitt nach der Linie 3-3 Figur 1, welcher Einzelheiten der Gestalt der Kanäle im Rotor darstellt.
Figur 4 - einen Schnitt ähnlich dem nach Figur 3, welcher eine Abwandlung des Rotors zeigt.
Figur 5 - einen Schnitt ähnlich dem nach Figur 3, welcher eine andere Abwandlung des Rotors zeigt.
Figur 6 - ein Schaltbild einer logischen Fluidik-Steuerschaltung, aus welcher die Anwendung der Emulgiervorrichtung auf die Herstellung von Wasser-Brennstoff-Gemischen für einen industriellen, ölbeheizten Kessel hervorgeht,
Figur 7 - eine Prinzipdarstellung eines Differential-Strahlablenkverstärkers für die Steuerschaltung nach Figur 6,
Figur 8 — eine Prinzipdarstellung einer Wirbeldiode für die Steuerschaltung nach Figur 6.
Die in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Emulgiervorrichtung umfaßt ein Einlaßkammeir-Gehäuse 10 und ein Dichtungs-Gehäuse 11, die mittels Schraubbolzen 12 zusammengeschraubt und mit einer O-Ring-Dichtung 13 versehen sind. Die Gehäuse 10 und 11 bilden zwischen sich eine Mischkammer 15. In der Mischkammer ist ein frei drehbarer Rotor 20 angeordnet, der radiale Kanäle 19 aufweist. Der Rotor sitzt auf einer abgestuften Antriebswelle 21, welche sich durch eine öffnung 23 zu einem äußeren Antrieb 25 erstreckt, welcher nicht gezeigt ist.
Zwischen dem Rotor 20 und der öffnung 23 ist eine mechanische Dichtung üblicher Ausbildung angeordnet, wobei die öffnung 23
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Teil der Dichtung ist. Die Dichtung sitzt innerhalb einer Dichtungskammer 35, die in dem Dicht-Gehäuse 11 ausgebildet ist. Die Dichtungskammer 35 ist von der Mischkammer 15 durch den Rotor 20 getrennt, mit Ausnahme eines kleinen Zwischenraumes 36 zwischen der Außenkante des Rotors und der inneren ümfangswand 37 der Mischkammer 15. Flüssigkeiten sind an einem unmittelbaren Eintritt in die Dichtkammer 35 durch einen ümwälzungsstrom der Emulsion gehindert, welche durch eine nichtgezeigte Öffnung 40 in das Dichtungs-Gehäuse 11 eingeleitet wird, eine Kühlung der Dichtung bewirkt und sich dann mit der Emulsion in der Kammer 15 vereinigt. Das Gehäuse 10 bildet eine Einlaßkammer 5O7 welche über einen Wassereinlaßkanal 51 und einen Brennstoffeinlaßkammer 52 gespeist wird. Die Einlaßkammer umfaßt die praktisch zylindrische Kammer 53 am Zusammenlauf der Kanäle 51 und 52 und dazu die scheibenförmige Kammer 49, die zwischen der mittleren Stirnfläche 54 des Rotors 20, der Einlaßwand 55 des Kanales 19 und der Stirnfläche 56 der Kammer 53 liegt.
Die Mischkammer 15 wird von einer Innenwand 55, einer äußeren Seitenwand mit einem kreisförmigen Abschnitt 37 und einem spiralförmigen Abschnitt 66, einer Vorderwand und einer Rückwand, welche durch die Rückwand 61 des Rotors gebildet ist, abgegrenzt und definiert. Die Mischkammer steht mit einem Auslaßkanal 65 in Verbindung, welcher tangential zum Rotor, vgl. Figur 2, und quer zu dessen Achse angeordnet ist, obwohl er auch parallel zu dessen Achse oder in irgendeiner anderen Stellung dazwischen angeordnet sein könnte.
Der kreisförmige Wandabschnitt 37 erstreckt sich über 240 um die Kammer herum, während der spiral- oder schraubenlinienförmige Wandabschnitt 66 sich von der Stelle 70 zur Außenkante des Auslaßkanales 65 nach außen erstreckt. Die Mischkammer um-
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faßt clic teilsichelförmige Zone, welche sich zwischen der Strecke 70 bis zu einer Linie 72 quer vor der öffnung 65 erstreckt. Die Mischkammer ist zum großen Teil durch den Rotor 20 ausgefüllt.
Das Verhältnis des Volumens der Einlaßkammer zum freien Volumen der Mischkammer, d.h. zu ihrem Volumen minus dem des Rotors, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,8:1 bis 1,4:1, z.B. 0,9:1 bis 1,3:1 und ganz besonders bei ungefähr 1,1:1.
Der Zwischenraum bzw. Abstand C zwischen dem Wandabschnitt 37 und dem äußeren Raum des Rotors liegt vorzugsweise im Bereich von 25 Mikrometer bis 130 Mikrometer, z.B. bei 50 Mikrometer. Der Radius R des Rotors, beträgt 71 Millimeter.
Das Verhältnis R/C liegt vorzugsweise bei mindestens 200:1 oder vorzugsweise bei mindestens 500:1, z.B. im Bereich zwischen 500:1 bis 3000:1, und ganz bevorzugt zwischen 1000:1 und 2000:1.
Die ungefähr sichelförmige Zone kann eine flache Außenwand haben, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Jedoch besteht ein bequemer Weg zur Herstellung dieses Teiles des Gehäuses darin, daß die zylindrische Mischkammer ausgefräst und die kreisförmige Auslaßöffnung 65 tangential zur kreisförmigen Kammer bis hinab zur Stelle 78 gebohrt wird. Anschließend kann man die Zone 15 von der Linie 72 bis hinab zur Stelle 70 mit einer Fräsmaschine bearbeiten, um den übergang zwischen der Bohrung 65 und dem kreisförmigen Wandabschnitt 37 der Mischkammer zu glätten und so den gekrümmten Bereich zwischen der Linie 72 und der Stelle 70 zu bilden. Bei dieser Anordnung braucht der Wandabschnitt 66 nicht flach zu sein. Der maximale Zwischenraum C2 zwischen dem Wandabschnitt 66 und der Periphe-
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rie des Rotors an der Stelle 78 beträgt ein Mehrfaches des Zwischenraumes C zwischen dem Wandabschnitt 3 7 und dem Rotor, wobei das Verhältnis C2/C mindestens bei 10:1, vorzugsweise bei mindestens 50:1 oder 100:1 und ganz besonders bevorzugt im Bereich zwischen 50:1 bis 200:1 oder 500:1 liegt.
Gemäß Figur 3 weist der Rotor 20 bei diesem Ausführungsbeispiel zwölf radiale Kanäle 19 auf, die einen gleichen gegenseitigen Winkelabstand von 30 besitzen und sich jeweils von der Einlaßwand 55 zur äußeren Peripherie 36 des Rotors 20 erstrecken. Die radiale Länge jedes Kanales 19 beträgt das 0,6fache des Rotorradius.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Einlaßende ein V-förmiger Schlitz 172, welcher einen Winkel von 60 einschließt, während das Auslaßende ein V-förmiger Schlitz 73 ist, welcher einen Winkel von 20° einschließt. Diese Winkel sind so gewählt, daß sich die Schlitze auch dann schneiden würden, wenn der Kanal in diesen Bereich nicht verbreitert wäre, um einen 2,1 .Millimeter breiten, verengten Abschnitt mit parallelen Seiten zu bilden.
Allgemeiner ausgedrückt ist der vom Schlitz 172 eingeschlossene Winkel größer als der vom Schlitz 73 eingeschlossene Winkel und kann zwischen 40 und 80 liegen, während der vom Schlitz 73 eingeschlossene Winkel zwischen 10° und 40° liegen kann.
Das Verhältnis der Weite des verengten Abschnittes 71 zur Weite des Einlaßendes kann zwischen 0,5:1 und 0,1:1, z.B. zwischen 0,2:1 und 0,4:1 liegen.
Das Verhältnis der Länge des radialen Kanales 19 zum Radius des Rotors 20 kann zwischen 0,9:1 und 0,4:1 betragen.
Die Verengung oder Einschnürung oder, falls mehrere Verengungen oder Einschnürungen vorhanden sind, mindestens eine derselben ist vom Einlaßende des Kanales 19 zwischen 10 und 90 Pro-
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MM *
zent, z.B. zwischen 20 und 80 Prozent der Länge des Kanales entfernt.
Wenn der Kanal durch einen konvergierenden und wieder divergierenden Gang oder Führungskanal gebildet ist, ist der divergierende Abschnitt vorzugsweise langer als der konvergierende Abschnitt. Jedoch ist der Durchmesser bzw. die Breite am Einlaß vorzugsweise ungefähr genauso groß wie am Auslaß, liegt also zum Beispiel in dem Verhältnis-Bereich von 0,8:1 bis 1 ,2:1.
Beim Betrieb beispielsweise kann dem Kessel-Brennmaterial Wasser in Mengen zwischen 2,5 und 15 Gewichts-Prozent des Mischungsgewichtes zugesetzt werden. Kessel mit einer Wärmekapazität zwischen 0,3 und 3 Megawatt sind erfolgreich mit Brennstoff-Wasser-Mischungen betrieben worden. Die Vorräte an Wasser und Brennstoff werden in Tanks ungefähr zwei Meter über der Emulgiervorrichtung aufbewahrt, woraus sich ein Zufuhrdruck von ungefähr 20 kPa ergibt. Wenn der Brennstoffvorrat unter Druck steht, sollte auch der Wasservorrat auf den gleichen Druck gebracht werden. Der Rotor wird mit 2800 bis herauf zu 5000 Umdrehungen pro Minute im Uhrzeigersinn gemäß Figur 2 angetrieben. Die Brennstoff-Wasser-Mischung wird aus der Einlaßkammer durch die auf die Flüssigkeit in den Kanälen 19 wirkende Zentrifugalkraft abgezogen und durch die Kanäle 19 radial nach außen geschleudert, von wo sie auf den Wandabschnitt 37 aufprallt. Die Außenwand 36 des Rotors ist in zwölf feste Teile 77 unterteilt, von denen jedes ungefähr die doppelte Umfangslänge wie die Auslässe 73 hat, wobei die festen Teile 77 wie Flügel wirken.
Sie haben daher die Funktion, die Brennstoff-Wasser-Mischung in dem Spalt zwischen dem Wandabschnitt 37 und der Wand 36 einerseits einer Scherung zu unterwerfen,als auch die Mischung
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längs des Umfangs der Mischkammer durch die teilsichelförrnige Zone 78 vorzutreiben, wo eine turbulente Mischung stattfindet, und dann die Mischung durch den Auslaßkanal 65 auszustoßen.
Bei der Ausführungsform nach Figur 3 hat die Verengung 71
die Funktion, den Flüssigkeitsstrom durch den Kanal 19 zu
drosseln und dadurch seine Austrittsgeschwindigkeit zu erhöhen, wobei die divergierenden Auslaßschlitze anschließend einen Druckabfall in der Flüssigkeit bewirken, was zur Zerstäubung des Brennstoffes in der Mischung führt.
Die Figuren 4 und 5 zeigen alternative Formen des Rotors.
Der nach Figur 4 hat sechs Kanäle 19, von denen jeder durch relativ dünne Wände 80 abgegrenzt ist. Die äußeren Enden 81 der dünnen Wände 80 haben die gleiche Funktion wie die festen Flügel-Teile 77 nach Figur 3.
Die Verengungen der Kanäle 19 sind bei dieser Ausführungsform durch fünf gleichmäßig beabstandete, keilförmige Teile 82 gebildet, welche an der Außenfläche 70 des Rotors angeordnet sind.
Es handelt sich also um Punkt-Verengungen 83 anstelle länglicher Einschnürungen 71 wie bei der Ausführungsform nach Figur 3.
Kurze Auslaßschlitze 84, welche einen Winkel von 30 einschliessen, erstrecken sich von jeder Verengung-.83 nach außen.
Bei der Ausführungsform nach Figur 5 sind sechs keilförmige Auslaßkanäle 19 vorgesehen, welche durch gerade radiale Wände 80 von einander getrennt sind. Das gesamte Volumen jedes Kanales 19 ist von einem Keil 90 aus porösem Material, z.B. aus gesintertem Metall, ausgefüllt, welcher in geeigneter Wei-
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se festgekeilt ist. Dies bildet eine Impedanz gegenüber dem Flüssigkeitsstrom durch den Kanal 19 und hat die gleiche Funktion wie die Verengung 71 bei der Ausführungsform nach Figur 3. Es kann als eine Mehrzahl kleiner Verengungen angesehen werden.
Ein geeignetes Material ist ein solches, bei welchem sich eine Emulsion mit einer Wassertropfengröße von 10-30 Mikrometer einstellt.
In Figur 6 ist eine Fluidik-Schaltung zur Steuerung der Emulgiervorrichtung 90 gezeigt, welche zur Verwendung mit industriellen Kesseln gemäß obiger Erläuterung geeignet ist.
Die Schaltung umfaßt einen Wasservorratstank 100 und einen Brennstoffvorratstank 110.
Der Wassertank 100 hat einen Ausgang 102, welcher in eine Zuleitung 103 und eine Steuerleitung 104 aufgeteilt ist. Die Leitung 103 hat einen Abzweig 105, welcher die linke Steueröffnung 106 eines Differential-Strahlablenkverstärkcrs 107 speist, und zwar über ein Nadelventil 108 variable öffnung. Die Steuerleitung 104 ist an die Leistungskammer 120 des Verstärkers 107 angeschlossen. Die Leitung 103 speist die Leistungsspeiseöffnung 109 einer Wirbeldiode 111 über ein Nadelventil 113 variable Öffnung.
Der Brennstofftank 110 hat eine Ausgangsleitung 115, die mittels eines Steuerventiles 116 gesteuert ist, sowie einen Abzweig 117,, welcher die rechte Steueröffnung 118 des Verstärkers 107 über ein Magnetventil 119 und ein Rückschlagventil 121 speist, welches einen Strom von 118 nach 119 verhindert. Die Brennstoffausgangsleitung 115 ist an den Brennstoffeingangskanal 52 der Emulgiervorrichtung 90 ange-
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schlossen.
Der Ausgang 123 des Verstärkers 107 ist an den Steuereingang 125 der Wirbeldiode 111 angeschlossen. Der Verstärker 107 ist so gewählt, daß sein Ausgangsstrom dem Eingangsstrom entspricht, welcher zur Steuerung der Wirbeldiode 111 erforderlich istj die beiden Geräte sind also an einander angepaßt.
Der Ausgang 126 der Wirbeldiode ist an den Wasserzuleitungskanal 51 der Emulgiervorrichtung 9 0 über ein Rückschlagventil 127 und ein Magnetventil 128 angeschlossen.
Der Rotor der Emulgiervorrichtung wird von einem Motor 135, zweckmässigerweise mit variabler Geschwindigkeit, angetrieben. Die Brennstoff-Wasser-Mischung, die am Auslaß 65 der Emulgiervorrichtung austritt, wird dem Brennraum 140 zugeführt.
Die Ventile 119 und 128 werden mittels des Ventiles 116 gesteuert, beispielsweise mittels eines Zeitgebers, so daß sie sich nur Öffnen,nachdem dem Kessel 140 unvermischter Brennstoff zugeführt worden ist»
Die Betriebsweise des Gerätes ist wie folgt:
Die Ventile 108 und 113 werden justiert und so voreingestellt, daß die richtige Wasserströmungsmenge zum Erhalt der gewünschten Brennstoff -Wasser-Mischung erhalten wird. Der Motor 135 wird eingeschaltet und anschließend daran das Ventil 116 mit der gewünschten Strömungsmenge. Nach einer Verzögerung von 10 Sekunden, während welcher der unvermischte Brennstoff gezündet wird, öffnen die Magnetventile 119 und 128.
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2 6 b b 9 O
Der Brennstoff strömt nach oben durch die Ventile 119 und 121 und bildet einen Steuerdruck an der öffnung 11B, welcher in Beziehung y.ur ntrömurigsmongo durch dio Leitung 115 i;teht. Die U\i:;.s<ir:'.uFuhr wird durch das öffnen do:; Ventiles 128 automatisch eingeschaltet und der Strom durch das Ventil 108 kommt mit dem Strom durch die öffnung 118 in Berührung, so daß der Hauptwasserstrom durch die Leitung 104 im Verstärker 107 beispielsweise gleichmässig zwischen der Abzugsöffnung 136 und der Auslaßöffnung 123 aufgeteilt wird.
Die Impedanz der Öffnung 123 ist sehr viel größer als die Impedanz der Auslaßöffnung 126 der Wirbeldiode 111, so daß praktisch der gesamte Wasserstrom von 102 durch die Leitung 103 und das Ventil 113 und direkt durch die Wirbeldiode von der radialen Einlaßöffnung 109 zur zentralen Auslaßöffnung 126 geht.
Das Verhältnis des Stromes durch die Öffnung 123 und somit die Steueröffnung 125 zum Strom durch die Öffnung 109 im normalen Strömungszustand ist derart, daß lediglich ein kleiner Anteil des Stromes durch die Einlaßöffnung 109 in einen Wirbel in der Kammer 141 abgeleitet wird.
Wenn der Druck in der Leitung 118 ansteigt, z.B. bei einem ansteigenden Bedarf für Brennstoff, wird der Strom von 104 in Richtung auf den Abzug 136 abgelenkt und der Strom durch 123 und somit 125 nimmt proportional hierzu ab und somit wird der Wirbel in 111 verkleinert und der Wasserstron durch 126 wird entsprechend vergrößert, um das Brennstoff-Wasser-Verhältnis wieder auf seinen Sollwert zu bringen. Der Strom durch 107 ist typischerweise das 0,01 fache des Stromes durch 111.
Wenn der Druck in 118 abnimmt, tritt die umgekehrte Folge ein, und der Strom durch 126 nimmt ab.
γΓ-0
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26b5901
Die Anordnung nach Figur 6 hat den wesentlichen Vorteil, daß die Menge des Öl stromes, welcher zur Bildung des Steuersignales notwendig ist, sehr klein ist im Verhältnis zum Gesamtstrom, so daß die Flüssigkeiten im Verstärker 107 nur einen relativ kleines Volumen bilden und zum Wasservorratstank zurückgeleitet werden können, ohne daß sich dabei selbst bei andauerndem Betrieb eine übermässige ölmenge ansammelt.
Es werden im folgenden mehrere Beispiele gegeben.
Flüssige Brennstoffe für Haushalt und Industrie haben typischerweise eine Viskosität zwischen 35 und 3000, z.B. von 3000 Redwood-Sekunden. Es wurde eine Testserie an Haushalts-Kesseln ausgeführt, welche mit Dieselöl arbeiten, dessen spezifische Wärmemenge 43000 Joule/Gramm beträgt und das eine Viskosität von 35 Redwood-Sekunden hat.
Es wurde die Emulgiervorrichtung nach den Figuren 1 bis 3, jedoch ohne die Steuerschaltung nach Figur 6 benutzt.
Der Kessel hatte eine Ausgangsleistung von 440 Kilowatt und einen Arbeitsdruck von 55 Kilopascal und arbeitete mit einer Druckstrahl-Brennereinheit. Der Brennstoff wurde der Emulgiervorrichtung mit Schwerkraft genau zugemessen zugeführt. Die Emulgiervorrichtung war in der Speiseleitung unmittelbar vor der Brennerpuppe angeordnet, welche den Brennstoff mit Umgebungstemperatur und einem Druck von 1100 Kilopascal der Brennerdüse zuführt. Der Kessel war mit der häuslichen Heißwasserversorgung belastet, wobei die Temperatur des Heißwasser thermostatisch kontrolliert wurde. Das Wasser wurde der Emulgiervorrichtung über ein Rückschlagventil und ein Magnetventil genau abgemessen zugeführt. Der Kessel wurde mit reinem Öl in Betrieb gesetzt^ nach der Zündung wurde der Rotor gestartet und das Wasser-Magnetventil geöffnet. Wenn der Kessel abgeschaltet werden soll, wird das Magnetventil
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geschlossen und nach Ablauf einer Zeitspanne schaltet auch
die ölpumpe ab. Hierdurch ist sichergestellt, daß der Kessel
für die nächste Zündung nur reines öl erhält.
Die folgende Tabelle 1 zeigt drei Beispiele verschiedener
Betriebsbedingungen und Ergebnisse.
Beispiel
Brennstoffzusammensetzung 100/0 94.6/5.4 86.6/13.4
Öl/Wasser (%) 390 370 350
Abgasteitiperatur (0C)
Abgas-Analyse 8.5 10 11
CO2-Gehalt % 3 3 3
Bacharach-Rauschskala 0,828 0,792 0,728
öIstrom (l/min) 0,000 0,045 0,109
Wasserstrom (l/min) 70.5 74.8 77.5
Verbrennungs-Wirkungsgrad (%)
Weitere Tests mit dem gleichen Kessel bei einem Brennstoff-Wasser-Gesamtstrom zwischen 6,42 und 65,5 Liter/Stunde führten zu dem Ergebnis, daß die Bacharach-Rauchzahl (BSN) von 9 ohne Wasser auf 0 bei 9% Wasser reduziert werden kann; 2,5% Hi-O ergeben eine BSN von 8, 3,2% H3O ergeben eine BSN von 7, .4,25% H3O von 6, 5,9% H0O von 4, 6,35% H0O von 3, 7,7% H0O von 2 und 8,4% H0O eine Rauchzahl von 1,
Es wurden auch Tests mit einem Perkins-Dieselmotor von 37 Kilowatt unter Verwendung wiederum der Emulgiervorrichtung nach den Figuren 1 bis 3 durchgeführt. Diese Tests zeigten, daß sie im
Leistungsbereich zwischen 3 und 18 Kilowatt bei einer Motordrehzahl von 1000 Umdrehungen/Minute eine von der Emulgiervörrich-
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. tung erzeugte Wasser-Brennstoff-Mischung mit 5% Wasser zu einer Brennstoffersparnis zwischen 5 und 10% führte und daß eine Mischung mit 10% Wasser zu einer Ersparnis von ungefähr 10 " - 20% führte.
Außerdem wurden der Geräuschpegel und der Rauchpegel deutlich gesenkt..
Einsparungen an Brennstoffverbrauch traten auch bei Motordrehzahlen von 1500 Umdrehungen/Minute und kleinere Einsparungen bei 2000 Umdrehungen/Minute.auf.
Als Brennstoff wurde übliches industrielles Dieselöl mit einer Viskosität von 30 - 33 Redwood-Sekunden verwendet. Nach unseren Feststellungen liegen die optimalen Mischungen bei 1-10% Wasser.
Der Rotor nach Figur 3 ist am besten für Brennstoffe mit Viskositäten zwischen 35 Redwood-Sekunden bis herau zu 3000 Redwood-Sekunden und Rotor-Drehzahlen zwischen 2 800 und 7000 Umdrehungen/Minute geeignet. Es darf angenommen werden, daß der Rotor mit Zerstäubung des Brennstoffes arbeitet, während dieser durch die Verengung der Kanäle 19 hindurchgeht, wobei in der Brennstoff-Wasser-Mischung Kavitation erzeugt wird, daß die Wassertröpfchen einer Scherung durch den Wandabschnitt 37 und dem Flügel 77 unterworfen werden, und daß der Brennstoff auf der Oberfläche der Wassertröpfchen in der Zone 78 turbulenter Strömung kondensiert.
Der in Figur 4 gezeigte Rotor ist am besten für höherviskose Brennstoffe, z.B. C-Bunker-Öl geeignet, das eine Viskosität in der Größenordnung von 3500 Redwood-Sekunden hat. Es wurde .festgestellt, daß zufriedenstellende Emulsionen mit Wasser bei Verwendung dieses Rotors mit einer Drehzahl zwischen 1400 - 7000 Umdrehungen/Minute erzeugt werden können. Hierzu
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darf angenommen werden, daß der Vorgang überwiegend auf Scherung beruht. Es wurde festgestellt, daß man zwischen 5 und 20% Wasser solchen hochviskosen Materialien beimischen und dabei Emulsionen erzeugen kann, die für mehr als zehn Tage stabil sind.
Der Rotor nach Figur 5 wird am besten für sehr flüchtige, niederviskose Brennstoffe, z.B. für Kerosin und Benzin verwendet, deren Viskositäten kleiner als 35 Redwood-Sekunden sind.
Von dem nach Figur 5 benutzten gesinterten Material kann angenommen werden, daß es eine Vielzahl labyrinthischer Kanäle bildet, welche vom Inneren des Rotors nach außen zu seiner Umfangsfläche verlaufen. Jeder Kanal enthält eine Vielzahl von Verengungen oder Drosselstellen für die Strömung. Diese verursachen eine Zerstäubung des Brennstoffes und eine Scherung des Brennstoffes und des Wassers innerhalb des Rotors.
Weitere Scherung tritt dann wahrscheinlich durch die Grenzschicht-Haftung zwischen dem stationären Wandabschnitt 37 der Mischkammer und der sich schnell bewegenden Rotoroberfläche ein.
Das Verhältnis der geschlossenen oder festen Fläche F der Peripherie des Rotors zur offenen Fläche O, die durch die Auslässe der im Inneren des Rotors verlaufenden Kanäle gebildet ist, ist größer als 1:1 und vorzugsweise größer als 3:1, liegt z.B. im Bereich zwischen 5:1 und 15:1, insbesondere zwischen 5:1: und 10:1 für die Rotoren nach den Figuren 3, 4 und 5, bei denen die Werte 7:1, 6:1 bzw. 9:1 sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein solider Rotor von 0,95 cm Länge und 1,9 cm Durchmesser verwendet, welcher
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mit Löchern von 0,16 cm Durchmesser versehen ist, welche radial durch den Rotor hindurchgebohrt und unter einem Teilungswinkel von 22,5° angeordnet sind, so daß der Rotor 16 solcher radialer Kanäle aufweist. Diese Kanäle bilden eine Verengung gegenüber dem Flüssigkeitsstrom zwischen dem Eingang der Emulgiervorrichtung und ihrem Ausgang.
Hier beträgt das Verhältnis S/O ungefähr 4,5:1, liegt also im Bereich zwischen 3:1 und 10:1 oder 3:1 und 6: .1 . Dieser Rotor wurde für Dieselöl mit einer Viskosität von 30-35 Redwood-Sekunden bei 700 0 Umdrehungen/Minute verwendet und brachte gute Ergebnisse.
Bei einem fünften Beispiel wurde die Emulgiervorrichtung nach den Figuren 1, 2 und 5 bei einem mit Benzin betriebenen Generator zur Speisung von Glühlampen mit insgesamt 1,5 Kilowatt verwendet. Der Brennstoff war Benzin von 97 Oktan und einer Viskosität von nicht mehr als 20 Redwood-Sekunden. Der Generator hatte einen Vergaser mit Schwimmer und Schwimmergehäuse. Die Emulgiervorrichtung war in die Seitenwand des Schwimmergehäuses eingeschweißt. Brennstoff und Wasser wurden der Emulgiervorrichtung von außen zugeführt und die Mischung in das Schwimmergehäuse des Vergasers unterhalb des Schwimmers eingeleitet. Der Motor arbeitete sehr zufriedenstellend und weich mit reduziertem Rauch und Geräusch.
Eine Steuerschaltung gleich der nach Figur 6 könnte bei Benzinmotoren mit schwankender Belastung benutzt werden.
Die Emulgiervorrichtung könnte auch für Mischungen von Feststoffen und Flüssigkeiten verwendet werden, wenn die Feststoffe eine genügend kleine Teilchengröße haben, damit ein Verstopfen der Kanäle 19 und des Zwischenraumes zwischen dem Rotor und dem Wandabschnitt 37 vermieden wird.
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Das Gerät erzeugt, wenn überhaupt, nur einen sehr geringen Druckanstieg, der beispielsweise nicht größer als 7 Kilopascal bei Speisedrücken zwischen 30 und 200 Kilopascal ist.
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Leerseite

Claims (11)

  1. Patentansprüche i
    ΓΙ] Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse eine im wesentlichen ringförmige Mischkammer umgrenzt, in welche sich ein drehbar gelagerter, antreibbarer Rotor befindet, daß der Rotor eine oder mehrere Einlaßöffnungen an seiner Drehachse aufweist, daß eine mit den Einlaßöffnungen in Verbindung stehende Einlaßkammer an der Rotordrehachse angeordnet ist, welche mit Einlassen für die zu mischenden Flüssigkeiten versehen ist, daß im Rotor nach außen sich erstreckende Kanäle angeordnet sind, welche von den Einlaßöffnungen zur Peripherie des Rotors führen und an dieser münden, daß die Mischkammer eine kreisförmige Außenwand aufweist, welche sich über den größeren Teil ihres Umfangs mit einem kleinen Abstand zwischen der Außenwand und der Rotorperipherie erstreckt, und daß sich die kreisförmige Außenwand mit spiralförmiger Gestalt nach außen erstreckt und so zwischen dem spiralförmigen Wandabschnitt der Mischkammer und der Rotorperipherie eine ungefähr sichelförmige Auslaßzone bildet, welche mit einem Auslaßkanal in Verbindung steht.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Rotorradius und dem Abstand zwischen der Rotorperipherie und dem kreisförmigen Abschnitt der Außenwand der Mischkammer mindestens 200:1 beträgt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen vier und zwanzig Kanäle vorgesehen sind.
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    OR5QINAL INSPECTED
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder radialer Kanal einen konvergenten Eingangsabschnitt, der zu einer Verengung führt, und einen divergenten Auslaßabschnitt aufweist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Kanal von einem Einlaß zu einer Verengungszone erweitert, in welcher mehrere Verengungen angeordnet sind, die jeweils als divergierende Kanäle an einer ringförmigen Wand münden.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in mehrere keilförmige, sich nach außen erweiternde Führungskanäle aufgeteilt ist, in denen jeweils mindestens über einen Teil ihrer Breite poröses oder mikroporöses Material angeordnet ist.
  7. 7. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1-6 zur Mischung zweier Flüssigkeiten mit einer zugeordneten Steuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Flüssigkeitszuleitung an die Mischvorrichtung anschließbar sind, daß ein erstes Steuerglied zur Voreinstellung des zweiten Flüssigkeitsstrcmes derart vorgesehen ist, daß dieser eine bestimmte Funktion des ersten Flüssigkeitsstromes ist, und daß ein zweites Steuerglied auf Druck- oder Stromschwankungen in der ersten Flüssigkeitszuleitung anspricht und danach den Strom durch die zweite Leitung so einstellt, daß sich dieser bei einer Änderung in der ersten Zuleitung automatisch im Sinne einer Rückführung auf die gleiche, voreingestellte Funktion des Stromes in der ersten Flüssigkeitszuleitung verändert.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Glied vorgesehen ist/ welches eventuelle
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    Druck- oder Stromschwankungen in der ersten Flüssigkeitszuleitung erfaßt und ein Steuersignal an das zweite Steuerglied abgibt, und daß das zweite und dritte Glied logische Fluidik-Geräte sind, wobei der Strom durch das dritte Glied so bemessen ist, daß er nicht mehr als einen kleinen Bruchteil des Stroms durch das zweite Glied beträgt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuerglied eine Wirbeldiode und das dritte Glied ein Differential-Strahlablenkungsverstärker ist.
  10. 10. Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten zu einer Emulsion, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu emulgierenden Flüssigkeiten zu einer Einlaßzone leitet, daß man die Mischung der Flüssigkeiten in engen Kanälen Zentrifugalkräften aussetzt, daß man die Flüssigkeiten durch die Kanäle leitet und auf eine kreisförmige Wand aufprallen läßt, daß man die Flüssigkeiten in dem Spalt zwischen der Stelle, an welcher sie aus den Kanälen austreten, und der Wand einer hohen Scherung über eine radiale Zone von mindestens 240° aussetzt, daß man anschließend die Mischung der Flüssigkeiten eine, turbulente Strömung in einer Zone bilden läßt, in welcher sie keiner hohen Scherung ausgesetzt ist, und daß man dann die Flüssigkeiten aus der Zone turbulenter Strömung als Emulsion direkt zu einem Auslaß leitet und von dort über ein Zuleitungsrohr zu einem Verbraucher für die Emulsion.
  11. 11. Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten zu einer Emulsion, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung der zu emulgierenden Flüssigkeiten einer Kavitation gefolgt von einer Scherung unterwirft.
    7 Π 9 R 2 5 /0907
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